Su Moleküllerini Ayrıştırarak Çevreye Duyarlı Enerji Kaynağı Elde Etmek
Onlarca yıldır Dünya’nın birçok yerinden araştırmacılar, Güneş enerjisini kullanarak çevreye duyarlı enerji kaynağı olarak hidrojen üretimini sağlamak için yeni yollar araştırmıştır. Ancak buldukları yöntemlerin birçoğunun yapımının maliyeti yüksek olduğu için uygulayamamışlar ve daha ucuza yapmaya çalışılınca da daha az verim elde etmişlerdir.
Austin Texas Üniversitesi’nden araştırmacılar, Güneş enerjisini kullanarak su moleküllerinden reaksiyonun zorlu kısmı olan, oksijeni çekmeyi yapabilecek maliyeti düşük bir yol bulmuşlardır. Buluş, Nature Communications dergisinin son sayısında paylaşılmıştır. Böylece, enerji alt yapımızın önemli kısımlarından biri olarak hidrojenin daha da benimsenmesi yolunda bir adım atılmıştır.
1970’lerin başında araştırmacılar, Güneş enerjisi kullanarak hidrojen üretebilme ihtimali üzerinde çalışmışlardır. Ancak, kilit kimyasal reaksiyonları verimli bir şekilde gerçekleştirebilen bir cihaz için gereken özelliklerin kombinasyonuna sahip materyallerin bulunamaması, onu ana yöntem olmaktan alıkoymuştur.
Cockrell Okulu Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü Profesörü Edward Yu, “Hem Güneş ışığını emebilen hem de su moleküllerini ayırma reaksiyonu gerçekleştirirken bozulmayan bir materyale ihtiyaç var. Güneş enerjisini emme de iyi olan materyaller, su moleküllerinin ayrılmasında az kararlı yapıya sahipken, çok kararlı olan materyallerinde güneş enerjisini emme de çok iyi olmadığı anlaşılmıştır. Bu çelişen durumlar bir takas durumunu göstermekteydi, yani istenilenlerden birinin daha az gerçekleşmesi kabul edilecekti ancak çoklu malzeme kombinasyonu- güneş ışığını emen bir materyal (silikon gibi) ile su moleküllerini ayırırken kararlı kalabilecek bir materyalin (silikon dioksit gibi) kombinasyonu- bir cihazda yapılarak bu çelişki çözülebilir”dedi.
Ancak, bu da yeni bir zorluğu ortaya çıkarmaktadır; Güneş ışığının soğurulması ile oluşan elektronlar ve çukurlar, silikon dioksit tabakası boyunca kolayca hareket edebilmelidirler. Bu silikon dioksit katmanının birkaç nanometreden büyük olmamasını gerektirir, bu da silikon emiciyi bozulmadan korumaya çalışan cihazın etkinliğini azaltır.
Bunun çözümü, maliyeti az ve üretim kapasitesi fazla olan kalın silikon dioksit tabakası boyunca elektriği ileten yolları üretme metodu üzerinde çalışırken akla gelmiştir. Bunu yapabilmek için Yu ve ekibi, ilk olarak yarı iletken elektronik çipleri üretmede uygulanacak bir teknik kullandı. Kalın silikon dioksit tabakasını ince bir alüminyumla kaplayarak ve sonrasında yapının tamamını ısıtarak, silikon dioksit tabakasını tamamen köprüleyen alüminyumun nano ölçekli “sivri uçlu” dizileri oluşturulur. Bu, su moleküllerini ayırma reaksiyonunda katalizör olabilecek nikel ya da başka bir materyal ile de yapılabilir.
Güneş ışığı ile aydınlatıldığında cihaz, oksijen moleküllerini elde edebilmek için suyu verimli bir şekilde oksitleyebilir, aynı zamanda başka bir elektrotta hidrojen elde ettirebilir ve uzun süreli çalışmada kararlılık sergileyebilir. Bu cihazı üretmek için kullanılan teknikler, yarı iletken elektronik üretimi için de kullanıldığından, seri üretimde ölçeklendirilmesi kolay olmalıdır.
Ekip, bu teknolojiyi ticarileştirmek için geçici patent başvurusunda bulundu.
Hidrojen üretim yolunu geliştirmek, uygun yakıt kaynaklarının ortaya çıkmasında önemli rol oynar. Günümüzdeki hidrojen üretiminin çoğu, buharı ve metanı ısıtarak olur ama bu, ağır fosil yakıtlarına dayanır ve karbon emisyonunu üretir.
Hidrojen üretiminde çevre dostu olan “yeşil hidrojen (green hydrogen)” metodunu kullanmak tavsiye edilir. Ve su moleküllerini ayırma reaksiyonunu basitleştirmek, bu metodu kullanmak için önemli bir noktadır.
Hidrojen bazı eşsiz özellikleriyle önemli bir yenilenebilir enerji kaynağı olma potansiyeline sahiptir. Önemli endüstriyel süreçlerde hidrojen zaten baş rolü oynarken, artık otomotiv endüstrisinde de kendini göstermeye başlamıştır. Hidrojenin kullanıldığı yakıt hücresi bataryaları uzun mesafeli kamyon yolculuklarında umut verici görünüyor ve hidrojen teknolojisi şartlar uygunken rüzgâr ve enerji depolama yeteneğiyle enerji depolama için bir nimet olduğu görülüyor.
Ekip ileride, reaksiyonun oranını arttırarak su moleküllerini ayırma reaksiyonunda oksijen verimini üst düzeye çıkarmaya çalışacak. Yani araştırmacıların bir sonraki adımı, reaksiyonun diğer yarısında olacak.
Yu, “Öncelikle, reaksiyonun zor kısmı olan, oksijeni elde etmeye çalıştık ama bunun için su moleküllerini ayırma reaksiyonunda oksijeni çektiğimiz gibi hidrojeni de tamamen çekmemiz gerekmektedir. Bundan dolayı, bizim bir sonraki adımımız reaksiyonun hidrojen kısmı için cihaz yapma fikirleri ortaya çıkarmak ve bu fikirleri uygulamaktır” dedi.
Araştırma, ABD Ulusal Bilimi Vakfı (U.S. National Science Foundation) Mühendislik Müdürlüğü ve Materyal Araştırma Bilim ve Mühendislik Merkezleri (MRSEC) tarafından finanse edilmiştir. Proje üzerinde Yu, UT Austin öğrencileri; Soonil Lee ve Alex De Palma, Çin Fudan Üniversitesi profesörü Li Ji çalışmaktadır.
Kaynak: sciencedaily.com